(57)【要約】【課題】  リバウンド現象を抑制又は防止して高速にスイッチング動作し、得られる透過光又は反射光の輪郭を鮮明にする光スイッチング素子を開発し、この光スイッチング素子を用いて薄型の画像表示装置を提供する。【解決手段】  光経路に直交して平行に配設された第１光学面２及び第２光学面６からなり、第２光学面６を変位手段により変位させて前記光経路の長さを増減させ、この光経路の長さの増減に伴う光の干渉作用の変化を利用して、入射光に対する透過光又は反射光の光強度を変化させる光スイッチング素子において、変位させる第２光学面６の変位量を制限する下方ストッパ透過面３を第１光学面２に対して付設した光スイッチング素子とし、この光スイッチング素子を用いて画像表示装置の画素単位を構成する。【選択図】  図１a
2005157133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光経路に直交して平行に配設された第１光学面及び第２光学面からなり、第１光学面又は第２光学面を変位手段により変位させて前記光経路の長さを増減させ、該光経路の長さの増減に伴う光の干渉作用の変化を利用して、入射光に対する透過光又は反射光の光強度を変化させる光スイッチング素子において、変位させる第１光学面又は第２光学面の変位量を制限する変位制限ストッパを第１光学面又は第２光学面に対して付設したことを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項２】
変位手段は、外部から印加される電気信号に応じて発生する電界又は磁界により、変位する第１光学面又は第２光学面に加えられる静電気力又は磁力である請求項１記載の光スイッチング素子。
【請求項３】
変位制限ストッパは、第１光学面及び第２光学面と平行に配設したストッパ透過面である請求項１記載の光スイッチング素子。
【請求項４】
ストッパ透過面は、光経路の長さを減ずる方向に変位させる第１光学面又は第２光学面の前記変位方向と同じ側に設けてなり、該第１光学面又は第２光学面が変位した際に前記第１光学面又は第２光学面に接面する請求項３記載の光スイッチング素子。
【請求項５】
ストッパ透過面は、光経路の長さを減ずる方向に変位させる第１光学面又は第２光学面の前記変位方向の反対側に設けてなり、該第１光学面又は第２光学面が復元した際に前記第１光学面又は第２光学面と接面する請求項３記載の光スイッチング素子。
【請求項６】
光経路は、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の透過窓を開口した遮光面を、第１光学面及び第２光学面と平行に配設した請求項３記載の光スイッチング素子。
【請求項７】
光経路は、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の透過窓を開口した遮光面を、第１光学面の上面又は下面に添設した請求項３記載の光スイッチング素子。
【請求項８】
光経路は、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の透過窓を開口した遮光面を、第２光学面の上面又は下面に添設した請求項３記載の光スイッチング素子。
【請求項９】
光経路は、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の透過窓を開口した遮光面を、ストッパ透過面の上面又は下面に添設した請求項３記載の光スイッチング素子。
【請求項１０】
光源からの入射光に対して透過光又は反射光の光強度を変化させる光スイッチング素子からなる画素単位を１次元配列又は２次元配列し、各画素単位の点灯又は消灯により画像を表示面に表示する画像表示装置において、光スイッチング素子は光経路に直交して平行に配設された第１光学面及び第２光学面と、変位手段により変位させる第１光学面又は第２光学面に対して付設して該第１光学面又は第２光学面の変位量を制限する変位制限ストッパとからなり、第１光学面又は第２光学面は変位制限ストッパに制限される変位量内で変位手段により変位させて光経路の長さを増減させ、該光経路の長さの増減に伴う光の干渉作用の変化を利用して、光源からの入射光に対する透過光又は反射光の光強度を変化させることを特徴とする光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項１１】
変位手段は、外部から印加される電気信号に応じて発生する電界又は磁界により、変位させる第１光学面又は第２光学面に加えられる静電気力又は磁力である請求項10記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項１２】
変位制限ストッパは、第１光学面及び第２光学面と平行に配設したストッパ透過面である請求項10記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項１３】
光スイッチング素子は、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の透過窓を開口した遮光面を、第１光学面及び第２光学面と平行に配設した請求項12記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項１４】
光スイッチング素子は、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の透過窓を開口した遮光面を、第１光学面の上面又は下面に添設した請求項12記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項１５】
光スイッチング素子は、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の透過窓を開口した遮光面を、第２光学面の上面又は下面に添設した請求項12記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項１６】
光スイッチング素子は、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の透過窓を開口した遮光面を、ストッパ透過面の上面又は下面に添設した請求項12記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項１７】
光スイッチング素子は、外部から印加される電気信号に応じて発生する電界又は磁界により第１光学面又は第２光学面に加えられる静電気力又は磁力を変位手段として、画素単位の単位点灯時間を分割した単位印加時間で印加する電気信号の印加回数を、前記単位印加時間の総和が単位点灯時間を超えない範囲で増減することにより、該画素単位の光強度を調整する請求項10記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項１８】
光スイッチング素子は、外部から印加される電気信号に応じて発生する電界又は磁界により第１光学面又は第２光学面に加えられる静電気力又は磁力を変位手段として、画素単位の単位点灯時間以下の連続印加時間で印加する電気信号の前記連続印加時間を、前記単位点灯時間を超えない範囲で増減することにより、該画素単位の光強度を調整する請求項10記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項１９】
画素単位は、赤色光、緑色光及び青色光に対応して異なる光経路の長さを設定した赤色用光スイッチング素子、緑色用光スイッチング素子及び青色用光スイッチング素子の各１基合計３基を一組として構成し、光源から赤色光、緑色光及び青色光に対応する３波長の可視光を入射光として前記画素単位に照射し、前記画素単位を構成する各光スイッチング素子からの透過光又は反射光により表示面に画像を表示してなり、各画素単位を構成する各光スイッチング素子の透過光又は反射光の光強度を個別に変化させることにより、表示面に各画素単位でカラー表示してなる請求項10記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項２０】
光源は、可視光の発光ダイオード又はレーザダイオードである請求項19記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項２１】
表示面は、複数の走査線を走査順に点灯して画像を表示してなり、前記走査線に沿って並ぶ画素単位を走査単位とし、走査順に従って点灯する走査単位のみに光源から入射光を照射し、走査順でない残余の走査単位には光源から入射光を照射しない請求項19記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項２２】
画素単位は、紫外光に対応して光経路の長さを設定した紫外光用光スイッチング素子の少なくとも３基を一組として構成し、光源から単波長の紫外光を入射光として前記画素単位に照射し、前記画素単位を構成する各光スイッチング素子からの透過光又は反射光を受けて発光する赤色用蛍光面、緑色用蛍光面又は青色用蛍光面を前記画素単位の各光スイッチング素子に対応して設けた表示面に画像を表示してなり、各画素単位を構成する各光スイッチング素子の透過光又は反射光の光強度を個別に変化させることにより、表示面に各画素単位でカラー表示してなる請求項10記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項２３】
光源は、紫外光の発光ダイオード又はレーザダイオードである請求項22記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置。
【請求項２４】
表示面は、複数の走査線を走査順に点灯して画像を表示してなり、前記走査線に沿って並ぶ画素単位を走査単位とし、走査順に従って点灯する走査単位のみに光源から入射光を照射し、走査順でない残余の走査単位には光源から入射光を照射しない請求項22記載の光スイッチング素子を用いた画像表示装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の干渉作用を利用して、入射光に対する透過光又は反射光の光強度を変化させる光スイッチング素子と、この光スイッチング素子を用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像表示装置は、液晶表示装置、プラズマ表示装置や有機EL(Electroluminescence)表示装置等、近年薄型化しつつある。これら薄型化された画像表示装置は、画素単位を構成する素子が個別にスイッチング動作(ON-OFF動作)することにより、画素単位で発色又は輝度を制御する。これから、動画の再生に際しては高速なスイッチング動作が可能なスイッチング素子が必要となる。また、膨大な数のスイッチング素子が用いられるため、装置全体としての使用電力を低減する目的から、各光スイッチング素子は動作電圧が低い、具体的には10Ｖ以下であることが望まれている。
【０００３】
高速なスイッチング動作と低い動作電圧とを両立するスイッチング素子として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いた光スイッチング素子が有望視されている。例えば、特許文献１〜４は、こうしたマイクロマシン技術を用いたスイッチング素子や、前記光スイッチング素子を用いた画像表示素子を開示している。これら特許文献１〜４に開示された光スイッチング素子について、反射型の光スイッチング素子を図７a及び図７bに、また透過型の光スイッチング素子を図８a及び図８bに示す。
【０００４】
従来の反射型の光スイッチング素子は、図７aに見られるように、基板20上に第１光学面21を形成し、その上面に間隙22を隔てて支持体23に支えられた第２光学面24が対向するように形成されており、常態で第２光学面からの反射光が最大になるように、前記間隙22の大きさが設定されている。ここで、図７bに見られるように、何等かの変位手段を用いて第２光学面24を第１光学面21に直接接面するまで変位させると、間隙22がなくなる。これは、間隙22によって定まる光経路の長さが短くなることを意味し、この光経路の長さの減少によって変化する光の干渉作用が、反射光の光強度を最小にする。前記変位手段として、第１光学面及び第２光学面間に電圧を印加して両者間に発生する静電気力を利用する構成が知られている。
【０００５】
図８a及び図８bに示す透過型の光スイッチング素子は、基板20の一部に下部電極25が埋め込まれ、これらの上に第１光学面21が形成され、間隙22を隔てて第２光学面24が対向するように形成され、そして第２光学面24の上には上部電極26が形成されている。図７a及び図７bの例は、第２光学面24は別体で構成される支持体23により支えられていたが、図８a及び図８bの例は第２光学面と前記支持体相当の部分とが一体に形成されている。第２光学面24を可動するための静電気力は、下部電極25と上部電極26との間に印加される電圧によって発生する。
【０００６】
【特許文献１】特開2002-350751号公報(５頁〜14頁、図２及び図２)
【特許文献２】特開2003-057567号公報(４頁〜12頁、図１及び図３)
【特許文献３】特開2003-057571号公報(４頁〜８頁、図12〜図14)
【特許文献４】特開2003-215475号公報(３頁〜６頁、図１〜図３)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図７aに示す間隙22は、第１光学面21と支持体23との膜厚の差によって決定される。光スイッチング素子における前記間隙の大きさは、透過光又は反射光の光強度を変化させる光の干渉作用に極めて大きな影響を与えるため、できるだけ正確に設定できることが要求される。しかし、この従来例の構造では、製造工程における第１光学面及び支持体の膜厚にばらつきがあり、間隙22の大きさを正確に設定することが難しい。
【０００８】
図８に示す例では、電圧を印加する電極が変位する第２光学面の変位する領域の端部に形成されているので、第２光学面24を第１光学面21の側へ引き寄せるための静電気力は弱くなりやすく、高速なスイッチング動作が望めない。これから、高速なスイッチング動作を得るために高い電圧を印加すればよいが、それでは低い動作電圧の要求が満たされない。また、図８bに見られるように、上部電極26が第２光学面24と一体となって可動する構造なので、第２光学面が変位する度に、上部電極26の端部に強いストレスが加わり、スイッチング素子としての信頼性の課題が残る。
【０００９】
更に、従来の光スイッチング素子には共通する課題がある。まず、スイッチング動作する第２光学面が変位後、元の状態に復帰する際に「リバウンド現象」、すなわち変位する第２光学面が元の状態を超えて反対側へ変位し、安定して元の状態に復帰するまで往復運動する現象(図９参照)が発生してしまう虞れがある。MEMS技術を用いた光スイッチング素子は、変位する第２光学面のような機械的な可動部分を有しているため、こうしたリバウンド現象が発生する虞れが否定できない。このリバウンド現象は、スイッチング動作が高速になるほど発生しやすくなるため、スイッチング動作の高速化を妨げる要因になる。
【００１０】
透過型の光スイッチング素子(図８a及び図８b)を例に、リバウンド現象を説明する。透過光が最小の状態(OFF、図８a)から透過光が最大の状態(ON、図８b)へと変位した第２光学面は、第１光学面に接面するため、リバウンド現象を生じない。このため、光強度の変化は図９中破線に示される変化となり、OFFからONへのスイッチング動作は高速である。しかし、透過光が最大の状態(ON、図８b)から透過光が最小の状態(OFF、図８a)へと第２光学面を復帰させる場合、静電気力は消失し、第２光学面は自身の弾性により復帰するため、元の位置を通過して行き過ぎ、再び元の位置を通過して戻り、振動することになる。光の干渉作用を利用する光スイッチング素子は、第１光学面及び第２光学面の間隙の大きさが透過光の光強度を大きく左右するため、前記第２光学面の振動は光強度の振動となって現れ(図９参照)、ONからOFFへのスイッチング動作を高速化する際の妨げとなる。こうしたリバウンド現象の問題は、当然、反射型の光スイッチング素子(図７a及び図７b)にも見られる。
【００１１】
次に、従来の光スイッチング素子は、正確な透過光又は反射光の投光パターンを得にくい問題がある。透過型の光スイッチング素子(図８a及び図８b)は、間隙の幅の範囲で入射光が第２光学面から入射される。透過光は、第１光学面及び第２光学面が接面した範囲でのみ最大光強度になり、第２光学面が傾斜して間隙22が徐々に大きくなる領域27では、光強度が徐々に減衰する。これから、透過光の投光パターンは、前記最大光強度を中心に周辺がぼやけた感じとなる。透過光の投光パターンがぼやけること自体は構わないが、前記領域27における光強度の減衰程度又は傾向を制御することが難しく、鮮明な画像を得ようとする場合に問題となる。
【００１２】
以上から理解されるように、鮮明な動画を再生する薄型の画像表示装置には、高速なスイッチング動作を有し、表示面に対する透過光又は反射光の投光パターンがぼやけない光スイッチング素子が要求される。そこで、MEMS技術を用いた光スイッチング素子において、リバウンド現象を抑制又は防止して高速なスイッチング動作を実現する、すなわち変位する第１光学面又は第２光学面の変位量を制御してリバウンド現象を抑制又は防止する構造を開発すると共に、透過光又は反射光の輪郭が鮮明な投光パターンを得ること、すなわち第１光学面及び第２光学面が接面し、予め設定可能な最大光強度が得られる範囲内でのみ透過光又は反射光の投光パターンを得ることのできる構造を開発するために検討し、こうして得られる光スイッチング素子を用いて画像表示装置を構成することにした。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
検討の結果開発したものが、光経路に直交して平行に配設された第１光学面及び第２光学面からなり、第１光学面又は第２光学面を変位手段により変位させて前記光経路の長さを増減させ、この光経路の長さの増減に伴う光の干渉作用の変化を利用して、入射光に対する透過光又は反射光の光強度を変化させる光スイッチング素子において、変位させる第１光学面又は第２光学面の変位量を制限する変位制限ストッパを第１光学面又は第２光学面に対して付設した光スイッチング素子である。本発明では、説明の便宜上、入射光を入力する側を第２光学面、第２光学面との関係で光の干渉作用を働かせる側を第１光学面と呼んでいる。また、「光学面」とは、光学的に全透過又は全反射しない半透過な面を意味し、例えば光経路の断面に等しい大きさの面や、光経路を横断する大きさの膜の前記光経路に対応する部分がこれに相当する。こうした光学面としては、導電性を有する多結晶シリコン膜等の単層膜、又は前記単層膜に加えてシリコン窒化膜等の絶縁膜を含む多層膜を例示できる。
【００１４】
具体的な光スイッチング素子は、第２光学面に入射光を入力し、第１光学面から透過光を出力する透過型の光スイッチング素子と、第２光学面に入射光を入力し、同じく第２光学面から反射光を出力する反射型の光スイッチング素子とがある。透過型の光スイッチング素子は、第２光学面に入力する入射光に対し、最大光強度の透過光を第１光学面から出力する状態と、前記状態に比べて相対的に低い光強度(０を含む)の透過光を第１光学面から出力する状態とを切り換える。これから、本発明の透過型の光スイッチング素子では、「最大光強度の透過光を第１光学面から出力する状態」を、スイッチング動作との関係で「ON状態」、入射光との関係で「透過」と呼び、「相対的に低い光強度の透過光を第１光学面から出力する状態」を、スイッチング動作との関係で「OFF状態」、入射光との関係で「非透過」と呼ぶ。ON状態又は透過では、光経路の長さに応じた光の干渉作用による減衰がなく、光経路に直交する各光学面や基板等の減衰に依存する透過光が得られる。これに対し、OFF状態又は非透過では、光経路に直交する各光学面や基板等の減衰に加え、光の干渉作用による減衰を受けた透過光となる。
【００１５】
また、反射型の光スイッチング素子は、第２光学面に入力する入射光に対し、最大光強度の反射光を同じ第２光学面から出力する状態と、前記状態に比べて相対的に低い光強度(０を含む)の反射光を第２光学面から出力する状態とを切り換える。これから、本発明の反射型の光スイッチング素子では、「最大光強度の反射光を同じ第２光学面から出力する状態」を、スイッチング動作との関係で「ON状態」、入射光との関係で「反射」と呼び、「相対的に低い光強度(０を含む)の反射光を第２光学面から出力する状態」を、スイッチング動作との関係で「OFF状態」、入射光との関係で「非反射」と呼ぶ。ON状態又は反射では、光経路の長さに応じた光の干渉作用による吸収がなく、光経路に直交する各光学面や基板等の減衰に依存する反射光が得られる。これに対し、OFF状態又は非反射では、光経路に直交する各光学面や基板等の減衰に加え、光の干渉作用による吸収を受けた反射光となる。
【００１６】
こうした本発明の光スイッチング素子は、変位手段により、(1)第２光学面に対して第１光学面を接近又は離反させる変位、(2)第１光学面に対して第２光学面を接近又は離反させる変位、又は(3)第１光学面及び第２光学面を互いに接近又は離反させる変位の３態様のいずれかにより、光経路の長さを増減する。ここで、前記第１光学面又は第２光学面の変位手段は、外部から印加される電気信号に応じて、少なくとも光経路に発生する電界又は磁界により、変位する第１光学面又は第２光学面に加えられる静電気力又は磁力を利用する構成が好ましい。電気信号は、第１光学面及び第２光学面を電極としたり、前記第１光学面又は第２光学面に対して別途電極を付設して印加してもよい。また、第１光学面及び第２光学面を含む光経路上に別体の電極を配設して、前記電極に電気信号を印加してもよい。いずれにせよ、変形させる第１光学面又は第２光学面に静電気力又は磁力が働けば、電極の構成又は位置は自由に設定できる。
【００１７】
本発明の光スイッチング素子は、第１光学面又は第２光学面の変位を中断させ、前記第１光学面又は第２光学面の変位量を制限する。例えば、透過型の光スイッチング素子は、光経路の長さが[(λ/２)×ｎ＋λ/４](λは入射光の波長、ｎは整数、以下同じ)で非透過、前記光経路の長さが第１光学面又は第２光学面の変位によってλ/４だけ増減すると透過となる。これから、第１光学面又は第２光学面の必要な変位量は初期の光経路の長さより小さくなる。この場合、変位手段による第１光学面又は第２光学面の変位量を小さくし、実際の変位量を必要な変位量に制限することも考えられるが、実際上難しい。そこで、本発明は、変位制限ストッパにより第１光学面又は第２光学面の変位を途中で止めて、実際の変位量を制限する。これにより、変位手段による第１光学面又は第２光学面の変位量の限界は大きくしながら、実際の変位量を必要な変位量に制限することができる。これは、変位手段による第１光学面又は第２光学面の変位速度を大きくし、光スイッチング素子のスイッチング動作を高速化することに資する。また、復帰に際して起こりうるリバウンド現象を、変位制限ストッパで抑制又は防止できるようになる。
【００１８】
このように、本発明の変位制限ストッパは、第１光学面又は第２光学面の変位量を制限できればどのような構成でもよいが、第１光学面及び第２光学面と平行に配設したストッパ透過面として構成することが好ましい。前記ストッパ透過面は、第１光学面及び第２光学面同様、光経路を直交して前記第１光学面及び第２光学面と平行に配設され、復帰位置(初期位置)又は変位位置(λ/４だけ変位した位置)で第１光学面又は第２光学面に接面して、実際の変位量を制限する。これにより、変位手段はストッパ透過膜に押し当てるように第１光学面又は第２光学面を変位させればよいため、第１光学面又は第２光学面の変位速度を大きくし、スイッチング動作の高速化ができる。また、変位量を制限した位置で、第１光学面又は第２光学面がストッパ透過膜に接面するため、前記接面した範囲での透過光又は反射光の光強度を均一にすることができる。
【００１９】
より具体的なストッパ透過面は、(a)光経路の長さを減ずる方向に変位させる第１光学面又は第２光学面の前記変位方向と同じ側に設け、この第１光学面又は第２光学面が変位した際に前記第１光学面又は第２光学面に接面する構成、又は(b)光経路の長さを減ずる方向に変位させる第１光学面又は第２光学面の前記変位方向の反対側に設け、この第１光学面又は第２光学面が復元した際に前記第１光学面又は第２光学面と接面する構成が考えられる。前記(a)構成は、第１光学面又は第２光学面の変位位置(λ/４だけ変位した位置)に対して設けるストッパ透過面であり、前記(b)構成は、第１光学面又は第２光学面の復帰位置(初期位置)に対して設けるストッパ透過面である。
【００２０】
上記(a)構成又は(b)構成は、それぞれ単独で用いてもよいが、好ましくは併用するとよい。この場合、第１光学面又は第２光学面の変位(光経路の長さのλ/４の増加又は減少)に際して、異なる極性の電圧を有する電気信号を印加して第１光学面又は第２光学面が互いに引き合う静電気力を発生させ、第１光学面又は第２光学面を変位方向に配設したストッパ透過面に押し当てるように変位させ、第１光学面又は第２光学面の復帰(初期位置への復帰)に際しては、同じ極性の電圧を有する電気信号を印加して第１光学面又は第２光学面が互いに反発する静電気力を発生させ、第１光学面又は第２光学面を復帰方向に配設したストッパ透過面に押し当てて復帰させることができる。このように、変位又は復帰のいずれに際しても第１光学面又は第２光学面をストッパ透過面に押し当てる構成にすると、例えば前記第１光学面又は第２光学面の変形によりOFF状態からON状態に移行するスイッチング動作を高速化できるだけでなく、前記第１光学面又は第２光学面の復帰によりON状態からOFF状態に移行する際のリバウンド現象を抑制又は防止できるほか、前記ON状態からOFF状態へのスイッチング動作をも高速化できるようになる(図９中破線及び太実線参照)。
【００２１】
本発明は、上述のようなストッパ透過面を用い、光スイッチング素子のスイッチング動作を高速化している。そして、次のような遮光面を用いることにより、本発明の光スイッチング素子による鮮明な投光パターンを得る。すなわち、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の狭い透過窓を開口した遮光面を、第１光学面の上面又は下面に添設した光経路を構成した光スイッチング素子である。ここで、遮光面は、入射光を全反射又は吸収する面を意味する。本発明の光スイッチング素子は、変位する第１光学面又は第２光学面がストッパ透過面に接面する範囲では、設計通りの透過光又は反射光が得られるが、前記範囲外では必ずしも設計通りの透過光又は反射光が得られる保証はない。遮光面は、透過光又は反射光が得られる範囲を変位する第１光学面又は第２光学面がストッパ透過面に接面する範囲以下の透過窓の範囲に限定し、設計通りの透過光又は反射光が得られるようにして、前記透過光又は反射光の輪郭を鮮明にする。
【００２２】
遮光面を設ける具体的な光スイッチング素子は、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の狭い透過窓を開口した遮光面を、(1)第１光学面の上面又は下面に添設した構成、(2)第２光学面の上面又は下面に添設した構成、又は(3)ストッパ透過面の上面又は下面に添設した構成のほか、(4)光スイッチング素子を形成する基板の上面又は下面に添設した構成を示すことができる。各構成における遮光面は、第１光学面、第２光学面、ストッパ透過面又は基板の上面又は下面に、これら第１光学面、第２光学面、ストッパ透過面又は基板と一体に形成することが好ましい。しかし、変位する第１光学面又は第２光学面に対して密接しながら、前記第１光学面又は第２光学面の変位に際しては離隔する遮光面を形成することは、製造上の問題から難しいため、前記「添設」には、変位する第１光学面又は第２光学面に近接してこれら第１光学面又は第２光学面と平行に遮光面を配設する場合を含む。
【００２３】
本発明の画像表示装置は、上述の光スイッチング素子を用い、光源からの入射光に対して透過光又は反射光の光強度を変化させる光スイッチング素子からなる画素単位を１次元又は２次元配列し、各画素単位の点灯又は消灯により画像を表示面に表示する画像表示装置において、光スイッチング素子は光経路に直交して平行に配設された第１光学面及び第２光学面と、変位手段により変位させる第１光学面又は第２光学面に対して付設してこの第１光学面又は第２光学面の変位量を制限する変位制限ストッパとからなり、第１光学面又は第２光学面は変位制限ストッパに制限される変位量内で変位手段により変位させて光経路の長さを増減させ、この光経路の長さの増減に伴う光の干渉作用の変化を利用して、光源からの入射光に対する透過光又は反射光の光強度を変化させる画像表示装置として構成できる。
【００２４】
変位制限ストッパを設けた光スイッチング素子は、上述の通り、スイッチング動作を高速にできるため、この光スイッチング素子からなる画素単位も応答速度が高く、動きの激しい動画も応答よく表示できる。ここで、画像表示装置においても、各光スイッチング素子に用いる変位手段が、外部から印加される電気信号に応じて、少なくとも光経路に発生する電界又は磁界により、変位させる第１光学面又は第２光学面に加えられる静電気力又は磁力であったり、具体的な変位制限ストッパが第１光学面及び第２光学面と平行に配設したストッパ透過面であることが好ましい。特に、変形手段に静電気力を用いた画像表示装置では、画素単位を構成する光スイッチング素子のスイッチング動作に要する消費電力を低減できる利点が加わる。
【００２５】
鮮明な画像を得るには、各光スイッチング素子の透過光又は反射光の輪郭を鮮明にする遮光面を追加した光スイッチング素子により、画像表示装置を構成するとよい。すなわち、画像表示装置は、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の狭い透過窓を開口した遮光面を、第１光学面及び第２光学面と平行に配設した光スイッチング素子により画素単位を構成する。より具体的には、第１光学面又は第２光学面が変位した際にストッパ透過面に接面する範囲以下の狭い透過窓を開口した遮光面を、(1)第１光学面の上面又は下面に添設した光スイッチング素子、(2)第２光学面の上面又は下面に添設した光スイッチング素子、 (3)ストッパ透過面の上面又は下面に添設した光スイッチング素子、又は(4)光スイッチング素子を形成する基板の上面又は下面に添設した光スイッチング素子を用いた画像表示装置とする。
【００２６】
本発明の光スイッチング素子は、光経路の長さに応じて透過光又は反射光の光強度を連続的に調整できる。これから、例えば変位制限ストッパを用いず、変位する第１光学面又は第２光学面の変位量を連続的に増減して、前記光スイッチング素子からなる画素単位の光強度を調整することが考えられる。しかし、こうした第１光学面又は第２光学面の変位量の増減による光強度の調整は難しく、また変位制限ストッパを用いたことによる高速なスイッチング動作の恩恵を受けることができない。そこで、本発明は、第１光学面又は第２光学面の変位量を一定としつつ、各光スイッチング素子の透過又は反射している時間、すなわちON状態の時間を増減することにより、画素単位の光強度を調整することとした。
【００２７】
具体的には、外部から印加される電気信号に応じて、少なくとも光経路に発生する電界又は磁界により第１光学面又は第２光学面に加えられる静電気力又は磁力を変位手段として、画素単位の単位点灯時間を分割した単位印加時間で印加する電気信号の印加回数を、前記単位印加時間の総和が単位点灯時間を超えない範囲で増減することにより、この画素単位の光強度を調整する光スイッチング素子を用いて画像表示装置を構成する。この場合、画素単位の光強度は、電気信号の印加回数に比例する。ここで、「単位点灯時間」とは、表示面が複数の走査線を走査順に点灯して画像を表示する場合の前記各走査線毎の点灯時間である。例えば１秒30フレームで画像を表示する表示面が１フレームを525本の走査線で構成している場合(現行アナログテレビ放送等)、単位点灯時間は(1/30)/525≒6.35×10-5秒となる。単位印加時間は、前記単位点灯時間を分割した時間であるから、例えば前記単位点灯時間(6.35×10-5秒)を100分割した場合の単位印加時間は6.35×10-7秒となり、印加回数を０〜100回の範囲で増減して、理論上、光強度を100階調で調整できる。
【００２８】
また、外部から印加される電気信号に応じて、少なくとも光経路に発生する電界又は磁界により第１光学面又は第２光学面に加えられる静電気力又は磁力を変位手段として、画素単位の単位点灯時間以下の連続印加時間で印加する電気信号の前記連続印加時間を、前記単位点灯時間を超えない範囲で増減することにより、この画素単位の光強度を調整する光スイッチング素子を用いて画像表示装置を構成してもよい。この場合、画素単位の光強度は、電気信号の連続印加時間に比例する。上記例示で説明すれば、連続印加時間は、０〜単位点灯時間＝０〜6.35×10-5秒の範囲で100段階に増減して、理論上、光強度を100階調で調整できる。
【００２９】
光スイッチング素子は、特定波長の入射光に対して透過光又は反射光を出力するだけであるから、画像表示としてカラー画像を得るには、次のような構成が必要である。すなわち、画素単位は赤色光、緑色光及び青色光に対応して異なる光経路の長さを設定した赤色用光スイッチング素子、緑色用光スイッチング素子及び青色用光スイッチング素子の各１基合計３基を一組として構成し、光源から赤色光、緑色光及び青色光に対応する３波長の可視光を入射光として前記画素単位に照射し、前記画素単位を構成する各光スイッチング素子からの透過光又は反射光により表示面に画像を表示してなり、各画素単位を構成する各光スイッチング素子の透過光又は反射光の光強度を個別に変化させることにより、表示面に各画素単位でカラー表示する画像表示装置とする。光源は、画像表示装置の薄型化及び低消費電力化を考慮すれば、可視光の発光ダイオード又はレーザダイオード(以下、可視光の発光ダイオードで代表)が好ましい。
【００３０】
上記光源としての可視光の発光ダイオードは、個数に制限はないが、単数又は比較的少数の可視光の発光ダイオードでは、全画素単位の全光スイッチング素子へ十分な光強度の入射光を照射することは困難である。しかし、例えば表示面は複数の走査線を走査順に点灯して画像を表示する構成とし、前記走査線に沿って並ぶ画素単位を走査単位とし、走査順に従って点灯する走査単位のみに光源から入射光を照射し、走査順でない残余の走査単位には光源から入射光を照射しないようにすると、点灯する走査単位を構成する画素単位へのみ入射光を照射すればよくなり、必要な可視光の発光ダイオードの個数を減らすことができる。逆に、走査線数に等しい可視光の発光ダイオードを走査単位毎に割り当て、走査順に各可視光の発光ダイオードの点灯又は消灯を切り換えていってもよい。この場合、点灯している可視光の発光ダイオードは走査順に対応する１個だけであるから、画像表示装置としての消費電力を低減できる利点がある。
【００３１】
カラー表示を実現する別の構成として、画素単位は、紫外光に対応して光経路の長さを設定した紫外光用光スイッチング素子の少なくとも３基を一組として構成し、光源から単波長の紫外光を入射光として前記画素単位に照射し、前記画素単位を構成する各光スイッチング素子からの透過光又は反射光を受けて発光する赤色用蛍光面、緑色用蛍光面又は青色用蛍光面を前記画素単位の各光スイッチング素子に対応して設けた表示面に画像を表示してなり、各画素単位を構成する各光スイッチング素子の透過光又は反射光の光強度を個別に変化させることにより、表示面に各画素単位でカラー表示する画像表示装置を示すことができる。画素単位は、更にもう一つの紫外光用光スイッチング素子を加えて合計４基を一組とし、表示面には赤色用蛍光面、緑色用蛍光面又は青色用蛍光面に白色用蛍光面を加えて構成してもよい。前記画像表示装置の光源には、紫外光の発光ダイオード又はレーザダイオードを用いるとよい(以下、紫外光の発光ダイオードで代表)。これから、上記紫外光の発光ダイオードの使用態様、すなわち表示面は複数の走査線を走査順に点灯して画像を表示する構成とし、前記走査線に沿って並ぶ画素単位を走査単位とし、走査順に従って点灯する走査単位のみに光源から入射光を照射し、走査順でない残余の走査単位には光源から入射光を照射しないようにすることができる。また、走査線数に等しい紫外光の発光ダイオードを走査単位毎に割り当て、走査順に各紫外光の発光ダイオードの点灯又は消灯を切り換えていくことで、点灯している紫外光の発光ダイオードを走査順に対応する１個だけとすることにより、画像表示装置としての消費電力を低減することもできる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、変位制限ストッパ、具体的にはストッパ透過面によって第１光学面又は第２光学面の変位量を制限することにより、光スイッチング素子のスイッチング動作を高速化する効果を有する。特に、変位及び復帰のいずれに際しても、前記ストッパ透過膜によって第１光学面又は第２光学面の変位量を制限することにより、変位方向及び復帰方向のいずれにも第１光学面又は第２光学面の変位を制御できるようになり、スイッチング動作のより高速化を図ることができる。こうして、本発明は、スイッチング動作が高速な光スイッチング素子を用い、動きの激しい動画の表示を可能にする薄型の画像表示装置を実現している。
【００３３】
また、本発明の光スイッチング素子は、透過窓を有する遮光面により透過光又は反射光の輪郭を鮮明にすることができ、前記光スイッチング素子を用いて画像表示の画素単位を構成した際、画素単位が鮮明になる効果を有する。この遮光面は、上述の変位制限ストッパと併用することができるため、本発明の光スイッチング素子は、高速なスイッチング動作で、輪郭の鮮明な投光パターンを得ることを可能とし、画像表示装置の画素単位を構成するに適した光スイッチング素子の提供を実現する。
【００３４】
そして、上記高速なスイッチング動作を実現した本発明の光スイッチング素子を用いた画像表示装置は、画像表示の画素単位を構成した際、画素単位を構成する光スイッチング素子に印加する電気信号の印加回数又は印加時間により、前記画素単位の光強度を容易に調整できる効果を有し、高い諧調性を有する画像表示装置を実現できる。
【００３５】
このほか、本発明の光スイッチング素子の変位手段を、外部から印加される電気信号に応じて、少なくとも光経路に発生する電界又は磁界により、変位する第１光学面又は第２光学面に加えられる静電気力又は磁力とすれば、各光スイッチング素子のON状態及びOFF状態の切換えに必要な消費電力を低減できる。これは、本発明の光スイッチング素子を用いた画像表示装置の消費電力を低減する効果となる。このように、本発明は、高速なスイッチング動作で輪郭が鮮明な透過光又は反射光を得ることができる光スイッチング素子を提供し、この光スイッチング素子を用いることで、低い消費電力で、動きの激しく、そして高い諧調性を有するカラー動画を表示できる薄型の画像表示装置を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１a及び図１bは本発明に基づく透過型の光スイッチング素子の断面図である。本例の光スイッチング素子の第１光学面２は、導電性を有し、半透過膜である多結晶シリコン膜、金膜、ITO膜等からなり、入射光に対して透明な石英ガラスからなる基板１の上面に形成している。第２光学面６は、導電性を有する多結晶シリコン膜、金膜、ITO膜等からなり、第１光学面２から所定の光経路長を隔てて形成している。この第２光学面６に対しては、下面側に入射光に対して透明な窒化シリコン膜等からなる可動面５を一体に形成している。これにより、第２光学面６は、第１光学面２及び第２光学面６を電極として印加した電気信号が発生させる静電気力によって変形する可動面５に従い、第１光学面２に向けて変位し、光経路長の長さを増減する。
【００３７】
第１光学面２及び第２光学面６の光経路長の長さは、両者の間に介在する下方ストッパ透過面３、間隙７及び上記可動面５それぞれの厚みの合計である。ここで、下方ストッパ透過面３は、入射光に対して透明で屈折率が大きく、かつ誘電率の高い窒化シリコン膜等からなり、位置固定されている第１光学面２の上面に一体に形成している。これから、下方ストッパ透過面３及び可動面５のそれぞれの厚みは正確に設定できる。また、間隙７は前記下方ストッパ透過面３の上面に一体に形成する燐ガラス膜等からなる第１スペーサ面４により設定できる。このように、本発明の光スイッチング素子は、第１光学面２及び第２光学面６の光経路長の長さを、下方ストッパ透過面３、間隙７及び上記可動面５それぞれの厚みによって正確に設定できるだけでなく、可動面５の変位量を間隙７の範囲に制限することで、光経路長の長さの増減を正確に規制して、光の干渉作用の変化を正確に切り替えることができる。
【００３８】
本例では、更に第２光学面６の上面に、燐ガラス膜等からなる薄い第２スペーサ面８と、比較的厚い膜厚を有する酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等からなる上方ストッパ透過面９を形成し、第２光学面６に対して上方ストッパ透過面９との間に間隙10を形成している。上記間隙７及び前記間隙10は、第１スペーサ面４及び第２のスペーサ面８のみを選択的にエッチングすることで形成する。裏返せば、適切に選択したエッチング液によって、下方ストッパ透過面３、可動面５、第２光学面６及び上方ストッパ透過面９はエッチングされないので、間隙７は第１スペーサ面４の膜厚で、間隙10は第２スペーサ面８の膜厚で精密に設定できる。このように、従来(図７aの間隔22参照)のように、第１光学面21と支持体23との膜厚差で制御されていた場合に比べ、本発明の光スイッチング素子は、光の干渉作用を決定する間隙７を第１スペーサ面４の膜厚で正確に設定できる。
【００３９】
上述の光スイッチング素子は、図１bに見られるように、導電性を有する第１光学面２及び第２光学面６に所望の電気信号を印加して静電気力を誘起して可動面５を第１光学面２に向けて引き付けることができる。これにより、第２光学面６を第１光学面２に密着させれば、入射光の光経路長の長さが短くなることで光の干渉作用が変化し、透過光の光強度を変化させることができる。ここで、本発明は、第１光学面２と第２光学面６とは平行平板構造を構成しているので、電気信号を印加して誘起される静電気力は、従来(図８a及び図８b参照)に比べ、低電圧で大きなものにすることができる。このため、本発明による光スイッチング素子は、数V程度の低電圧でスイッチング動作させることが可能である。
【００４０】
本例の透過型の光スイッチング素子は、静電気力によって、可動面５及び第２光学面６が一体として弾性変形限界を超えて変位しないように、下方ストッパ透過面３により変位量を制限して、信頼性の向上を図っている。また、静電気力によって可動する可動面５及び第２光学面６は、図１bに示す下方ストッパ透過面３に密着した状態から、図１aに示す平坦な元の状態に復帰するに際し、大きくリバウンドしないようにするため、極めて狭く形成された間隙10を隔てて形成されている上方ストッパ透過面９に接面させて、短時間で元の安定状態に復帰させることができる。
【００４１】
ここで、第２光学面６を更に短時間で元の位置に復帰せしめるには、可動面５が上述とは逆に、第１光学面２と第２光学面６とを互いに反発させる向きの静電気力により、第２光学面６を上方ストッパ透過面９に密着させるように強制的に復帰させることができる。前記第１光学面２と第２光学面６とを互いに反発させる向きの静電気力は、第１光学面２及び第２光学面６に印加する電気信号を同極性にすることで誘起できる。この場合、第２光学面は当然にリバウンド現象を起こすことがなく、瞬時に安定化する(第２ストッパ透過面９に密着する)ので、極めて高速なスイッチング動作が可能となる。
【００４２】
図２a及び図２bは本発明に基づく透過型の光スイッチング素子の別例の断面図である。本例の光スイッチング素子は、上記例(図１参照)と比べ、窒化シリコン膜等からなる可動面５がなく、半透過膜からなる第２光学面６自身が変位する点が異なる。この変更に伴い、窒化シリコン膜等からなる下方ストッパ透過面３の膜厚は、厚くしている。本例は、図２bに示すように、単層膜である第２光学面６が静電気力によって第１光学面２へ引き付けられるように変位し、上記例示(図１b参照)と同様に、光の干渉作用を変化させる。静電気力によって可動する第２光学面を２層構造とするか、単層構造とするかは、第２光学面を構成する膜の材料によって決定すればよい。
【００４３】
図３a〜図３cは透過型の光スイッチング素子の別例を示す断面図であり、図３aは静電気力が発生していない状態を、図３bは第２光学面６を上方ストッパ透過面９に接面させるため、第１光学面２及び第２光学面６を互いに反発させる静電気力を発生させる電気信号を第１光学面２及び第２光学面６間に印加した状態を、そして図３cは第１光学面２及び第２光学面６を互いに引き合う静電気力を発生させる電気信号を第１光学面２及び第２光学面６間に印加した状態をそれぞれ示している。本例の光スイッチング素子は、第２光学面６を挟む間隙７及び間隙10が略同間隔であり、間隙７及び間隙10の合計が、上記例(図２a及び図２b参照)の間隙７とほぼ等しい。
【００４４】
本例の光スイッチング素子は、第１光学面２及び第２光学面６を互いに反発させる静電気力を発生させる電気信号を第１光学面２及び第２光学面６間に印加した場合、図３bに見られるように、第２光学面６は上方ストッパ透過面９に瞬時に押し付けられて安定し、透過光を最小にする(又は非透過する)。また、第１光学面２及び第２光学面６を互いに引き合う静電気力を発生させる電気信号を第１光学面２及び第２光学面６間に印加した場合、図３cに見られるように、第２光学面６は下方ストッパ透過面３に瞬時に押し付けられて安定し、透過光を最大にする(又は透過させる)。このように、本例の光スイッチング素子は、ON状態又はOFF状態のいずれにも電気信号の印加を要するものの、極めて高速なスイッチング動作を実現している。
【００４５】
図４a〜図４cは、本発明による光スイッチング素子の別例を示す断面図を示す。本例の光スイッチング素子は、上記例(図３a〜図３c参照)と同様に、ON状態及びOFF状態のいずれでも電気信号の印加を要するが、第１光学面２及び第２光学面６が共に変位する構造としている点が相違する。このため、図４aに見られるように、まず第１光学面２を変位させるため、第１光学面２と一体な可動面16を形成している。そして、前記可動面16と一体に変位する第１光学面２の下方への変位量を制限する下方ストッパ透過面12及び第３スペーサ面13を基板11の上面に形成し、間隙14を設けている。これにより、本例の光スイッチング素子は、間隙７、間隙10、そして前記間隙14の３つの間隙を有する。
【００４６】
OFF状態は、図４bに見られるように、第１光学面２及び第２光学面６に電気信号を印加し、互いに反発しあう向きの静電気力を発生させ、第１光学面２は可動面16の変位によって下方ストッパ透過面12に押し付け、第２光学面６は可動面５の変位によって上方ストッパ透過面９に押し付ける。この状態で、間隙７が図１a中の間隙７と等しくなるようにしておけば、透過光の光強度は最低となる。これに対し、ON状態は、図４cに見られるように、第１光学面２及び第２光学面６に逆極性の電気信号を印加し、互いに引き合う向きの静電気力を発生させ、第1光学面２及び可動面16と、第2光学面６及び可動面５とを互いに接面させる。ここで、第１スペーサ面４が図１b中の第１スペーサ面４と等しくしておけば、透過光の光強度は最大となる。このように、OFF状態及びON状態のいずれも、各光学面２,６は、各ストッパ透過面12,９に、又は互いに接面することで安定するため、静電気力による変位速度を大きくでき、スイッチング動作を高速化できる。
【００４７】
図５aは透過窓18を開口した遮光面17を上方ストッパ透過面９の上面に添設した透過型の光スイッチング素子の断面図、図５bは同光スイッチング素子のON状態における透過光の光強度プロファイルである。本発明の光スイッチング素子は、図５aに見られるように、第２光学面６と下方ストッパ透過面３とが接しているON状態では、透過光の最大光強度が得られる領域(第２光学面６及び下方ストッパ透過面３が接面している領域)の周辺に、間隙７が徐々に広がっていく領域が存在する。このため、透過光の光強度は徐々に低下していく。こうした透過光の光強度プロファイルは、図５b中破線で示されるように、徐々に光強度が弱くなるので、投光パターンが不鮮明になってしまう。
【００４８】
本例では、投光パターンが不鮮明になることを防止するため、図５aに見られるように、上方ストッパ透過面９の上面に、入射光を遮断する高融点金属膜(W膜やMo膜等)等の遮光面17を形成し、この遮光面17に第２光学面６が変位した際に下方ストッパ透過面３に接面する範囲以下の狭い透過窓18を開口して、投光パターンを最大光強度が得られる範囲内に限定している。すなわち、透過窓18を開口した遮光面17は、透過光の光強度プロファイルを図５b中実線で示されるパターンに限定する。こうした遮光面17は、光経路上に設けられればよく、上記例示のように、上方ストッパ透過面９の上面に制限されない。すなわち、遮光面17は、上方ストッパ透過面９の下面、第１光学面２の下面又は上面、下方ストッパ透過面３の上面又は下面、第２光学面の上面又は下面のほか、例えば基板１の上面又は下面のいずれに設けてもよい。また、遮光面は、上記高融点金属膜以外にも、Al, Au, Cr等の金属膜や、多結晶シリコン膜等の半導体膜により形成できる。
【００４９】
次に、本発明による光の干渉作用を用いた透過型の光スイッチング素子の動作原理について説明する。図６は波長λで規格化した両光学面の実効的な間隔ｈと(IT/ITmax)との関係を反射係数Ｒをパラメータに表した光強度プロファイルである。本発明のように、一対の第１光学面及び第２光学面を平行に並べた光スイッチング素子は、両光学面の距離を変化させることにより、いわゆる「ファブリー・ペロー型干渉フィルタ」に見られる光の干渉作用を変化させる。ここで、本発明の光スイッチング素子を前記ファブリー・ペロー型干渉フィルタとして考えた場合、入射光の入射角度が略０度とすれば、透過光の透過率は、近似的に
IT/I0＝[１−Ａ/(１−Ｒ)]2{１＋[４Ｒ/(１−Ｒ)2]siｎ2(２πｈ/λ)}-1
で与えられる。ここで、I0：入射光強度、IT：透過光強度、Ａ：吸収係数、Ｒ：反射係数、Ｔ：透過係数、ｈ：両光学面の実効的な間隔(ｈ＝ｎｔ、ｔは両光学面の間隔、ｎは両光学面間の実効的な屈折率)、λ：入射光の波長であり、Ａ＋Ｒ＋Ｔ＝１である。上記式の右辺の[１−Ａ/(１−Ｒ)]2項は入射光強度に対する減衰率を示し、透過光の最大光強度がITmaxで、入射光強度がI0とすれば、(ITmax/I0)となる。また、上記式右辺の{１＋[４Ｒ/(１−Ｒ)2]siｎ2(２πｈ/λ)}-1項は、ITmaxに対する透過光の光強度ITの比であるIT/ITmaxを表わす。
【００５０】
一般に、透過光の最大光強度ITmaxは両光学面の実効的な間隔ｈがｍ(λ/２)の場合、透過光の最小光強度ITminは両光学面の実効的な間隔ｈがｎ(λ/２)＋λ/４の場合である。ここで、前記ｍ及びｎはそれぞれ整数である。両光学面の実効的な間隔ｈがλから(５/４)λへとλ/４だけ変化すると、図６に見られるように、 (IT/ITmax)は1.0から単調に減少して間隔ｈが(５/４)λの時に最小値となる。透過光の光強度の変化はＲに依存するため、明確なON状態及びOFF状態の切り替えを図るには、前記Ｒを大きくすればよいことが分かる。これに対し、両光学面に対して印加する電気信号により、透過光の光強度を連続的(アナログ的)に変化させたい、すなわち緩やかな(IT/ITmax)の変化を得たい場合にはＲを小さくすればよい。
【００５１】
例えば、図１a及び図１bに見られる例に即して説明すれば、次のようになる。光スイッチング素子における透過光の最小光強度ITminは、両光学面２,６間の実効的な間隔ｈ＝ｎ1ｔ1＋ｎ2ｔ2＋ｎ0ｇ＝(５/４)λの場合(図１aの場合)に得られる。ここで、ｎ1, ｔ1は下方ストッパ透過面３の屈折率と膜厚を、ｎ2, ｔ2は可動面５の屈折率と膜厚を、そしてｎ0, ｇは間隙７の屈折率(空気の場合、ｎ0＝1.0)と間隔である。これに対し、透過光の最大光強度ITmaxは、両光学面２,６間の実効的な間隔ｈ＝ｎ1ｔ1＋ｎ2ｔ2＝λの場合(図１bの場合)に得られる。これから、間隙７の間隔ｇ＝λ/4(ｎ0＝1.0の場合)を満足するように、精密に設定できればよいことが分かる。
【００５２】
また、図２a及び図２bに見られる例に即して説明すれば、次のようになる。上記例の光スイッチング素子における透過光の最小光強度ITminは、両光学面２,６間の実効的な間隔ｈ＝ｎ1ｔ1’＋ｎ0ｇ＝(５/４)λの場合(図２aの場合)に得られる。ここで、ｎ1, ｔ1’は下方ストッパ透過面３の屈折率と膜厚を、そしてｎ0, ｇは間隙７の屈折率(空気の場合、ｎ0＝1.0)と間隔である。これに対し、透過光の最大光強度ITmaxは、両光学面２,６間の実効的な間隔ｈ＝ｎ1ｔ1’＝λの場合(図２bの場合)に得られる。ここで、図２a及び図２bに見られる例の下方ストッパ透過面３と、図１a及び図１bに見られる例の下方ストッパ透過面３及び可動面５を、同じ材料で形成すれば、ｔ1'＝ｔ1+ｔ2で与えられる。このように、間隙７の間隔ｇ＝λ/4(ｎ0＝1.0の場合)を満足するように、精密に設定できればよいことが分かる。
【００５３】
図１a及び図１bに見られる例において、窒化シリコン膜等からなる可動面５を入射光の光経路の長さの変化に比べて無視できる程度に薄く形成すれば、第１光学面２及び第２光学面６の実効的な間隔ｈは、入射光の波長λ＝1.3〜1.5μｍに対してh＝ｎ1ｔ1＋ｎ0g≒(５/４)λ≒1.6μｍとなる。間隙７が空気(ｎ0＝1.0)で満たされている場合、ｇ＝λ/４であり、ｎ1ｔ1＝λとなる。下方ストッパ透過面３が窒化シリコン膜からなる場合、下方ストッパ透過面３はｎ1＝2.0となるので、ｔ1＝λ/2.0≒0.7μｍとなる。本発明は、第１スペーサ面４を燐ガラス膜等で形成することにより、第１スペーサ面４の膜厚をλ/４≒0.4μｍとしても、ウエットエッチング工程により精度高く加工することができる。
【００５４】
本発明の光スイッチング素子は、光の干渉作用の変化を妨げない範囲で、他の膜を形成することもできる。例えば、光スイッチング素子の表面に対して、入射光の反射を防止する反射防止膜や、外部から異物が侵入することを防止する保護膜を形成してもよい。この場合、透過窓を開口した遮光面を、前記反射防止膜又は保護膜の上面又は下面に形成することもできる。また、上記説明では第２光学面側から入射光を照射する場合を例示したが、入射光を第１光学面側から照射しても、基本的には上述までの説明が当てはまる。更に、上述までの例示は透過型の光スイッチング素子についてのものであったが、反射型の光スイッチング素子についても、同様な光の干渉作用の変化によるON状態及びOFF状態の切り替えを実現することができる。
【００５５】
本発明の光スイッチング素子は、上述までの説明から分かるように、透過又は非透過を切り替える光の干渉作用を決定する間隙の大きさを正確に設定できることから、可視光から紫外光、特に短波長光を入射光として、透過又は非透過を切り替えることができる点に特徴がある。そこで、具体的にｇ線(λ＝436nｍ)を入射光として、上記図２a及び図２bに見られる透過型の光スイッチング素子による透過又は非透過の切り替えを説明する。
【００５６】
ｇ線(λ＝436nｍ)を入射光とする光スイッチング素子の構成は。次のとおりである。基板１は約５mm厚の石英ガラス板からなり、導電性を有する20nｍ厚の多結晶シリコン膜で第１光学面２を前記基板１の表面に形成する。次に、ｎ1ｔ1'＝λの要件を満足するように、前記第１光学面２の上面に、ｔ1'＝213nｍの窒化シリコン膜 (但し、λ≒0.4μｍでの窒化シリコン膜の屈折率ｎ1＝2.05) を下方ストッパ透過面３として形成する。この下方ストッパ透過面３の上面に、間隙７をλ/4＝109nｍに設定するため、前記間隙７に等しい膜厚の燐ガラス膜で第１スペーサ面４を形成する。
【００５７】
第２光学面６は、導電性を有する20nｍ厚の多結晶シリコン膜からなり、上記第１スペーサ面４の上面に形成している。上方ストッパ透過面９は、前記第２光学面６の上面に形成した燐ガラス膜からなる第２スペーサ面８の上面に、１μｍ厚の酸化シリコン膜やシリコン窒化膜等により形成する。間隙７及び間隙10は、第１スペーサ面４及び第２スペーサ面８を選択的にエッチングすることにより形成する。こうして作られた光スイッチング素子は、それぞれ20nｍ厚の多結晶シリコン膜からなる第１光学面２及び第２光学面６のλ＝436nｍにおける吸収係数Ａ＝0.25(本例では、第１光学面２及び第２光学面６の合計の吸収係数)、反射係数Ｒ＝0.4となる。この吸収係数Ａ及び反射係数Ｒを上記式に代入すれば、ITmax＝0.34I0、ITmin＝0.06I0となり、ITmin : ITmax≒１：５が得られる。
【００５８】
したがって、透過光の最大光強度は入射光の約１/３に減衰し、透過光の最大光強度と最小光強度との強度比は約５倍となることから、本例の構成は紫外光(ｇ線(λ＝436nｍ))の透過型の光スイッチング素子として利用することができる。ここで、第１光学面２及び第２光学面６の実効的な間隔ｈに対する透過光の光強度プロファイル(図６参照)を見ると、Ｒ＝0.4においてｈがλから(５/４)λまで変化すると、(IT/ITmax)比は比較的緩やかに変化する。これから、電気信号の印加による間隔ｈの変化により、透過光はアナログ的な変化をする光強度変化が得られることになり、印加する電気信号に対する透過光の光強度のアナログ変換的な素子としても、本発明の光スイッチング素子を利用できることが分かる。
【００５９】
次に、本発明の光スイッチング素子を用いた画像表示装置を構成するにあたり、３原色である赤Ｒ、緑Ｇ及び青Ｂの各色にスイッチング動作を最適化した透過型の光スイッチング素子について説明する。ここで、Ｒに最適化された光スイッチング素子は、Ｒ用光スイッチング素子とし、以下同様にＧ用光スイッチング素子、Ｂ用光スイッチング素子と呼ぶことにする。まず、上述したｇ線(λ＝436nｍ)の紫外光に最適化した光スイッチング素子に倣って、前記３原色に最適化した光スイッチング素子の構成について述べる。Ｒ(λ＝700nｍ)、Ｇ(λ＝540nｍ)及びＢ(λ＝460nｍ)に対するシリコン窒化膜の屈折率は、それぞれ2.03、2.03及び2.04である。これから、下方ストッパ透過面３の膜厚ｔ1'は、Ｒ用光スイッチング素子では345nｍ、Ｇ用光スイッチング素子では266nｍ、そしてＢ用光スイッチング素子では230nｍに設定する。各光スイッチング素子の間隙７は、λ/４であるから、Ｒ用光スイッチング素子では175nｍ、Ｇ用光スイッチング素子では135nｍ、そしてＢ用光スイッチング素子では115nｍに設定する。また、第１光学面２及び第２光学面６は、いずれも導電性を有する20nｍ厚の多結晶シリコン膜から構成した場合、Ｒ、Ｇ及びＢに対する各吸収係数Ａは0.01、0.02及び0.16であり、反射係数Ｒは0.34、0.36及び0.38である。よって、ITmax/I0は、Ｒ用光スイッチング素子で0.98、Ｇ用光スイッチング素子で0.97、そしてＢ用光スイッチング素子で0.55となり、ITmax/ITminはＲ用光スイッチング素子で4.1、Ｇ用光スイッチング素子で4.5、そしてＢ用光スイッチング素子で5.0が得られる。
【００６０】
これから分かるように、入射光の波長λが長くなるにつれて多結晶シリコンの反射係数Ｒが低くなるのでITmax/ITminの比も低くなっている。ITmax/ITminの比の違いは、光スイッチング素子としてのスイッチング動作の相違を意味するが、同一の画像表示装置に用いる光スイッチング素子としては、いずれのITmax/ITminの比もできる限り同じであることが望ましい。そこで、第１光学面２及び第２光学面６として、波長λが100〜1000nｍ(1.0μｍ)に対して略一定の反射率Ｒ＝0.55を有するMo膜や、Ｒ＝0.60のＷ膜を用いながら、吸収係数Ａ＝0.20になるようにそれぞれの膜厚を設定すればよい。この場合、Mo膜による第１光学面２又は第２光学面６ではITmax/I0＝0.55、ITmax/ITmin＝12となり、Ｗ膜による第１光学面２又は第２光学面６ではITmax/I0＝0.50、ITmax/ITmin＝16となる。このように、Ｒ、Ｇ及びＢ用光スイッチング素子においては、多結晶シリコン膜に代えてMo膜又はＷ膜により第１光学面２及び第２光学面６を構成することにより、透過特性を改善することができる。これは、反射型のＲ、Ｇ及びＢ用光スイッチング素子についても同様に言える。
【００６１】
図10a〜図10cは、Ｒ、Ｇ及びＢ用光スイッチング素子を同一のガラス基板30上に２次元配列して構成した画像表示装置の構成図(図10a)と、各光スイッチング素子に印加する電気信号の制御方式を表す説明図(図10b及び図10c)である。本例以下の画像表示装置は、上述までに説明してきた各光スイッチング素子31(Ｒ、Ｇ及びＢ用光スイッチング素子)を同一のガラス基板30上に、画素単位32毎に２次元配列して構成している。そして、各光スイッチング素子31の透過光(又は反射光)の光強度を増減できるように、各光スイッチング素子31へ個別に電気信号を印加する信号線を接続する。光源37からの入射光は、入射光照射部36により、２次元配列された画素単位32全体へ分散され、照射される。このほか、１次元配列の光スイッチング素子による投影を走査に合わせてずらしていく画像表示装置構成も構成できるが、発色にかかる構成は本例と同じなので、説明は省略する。
【００６２】
図11は３原色に対応した３種類のＲ、Ｇ及びＢ用光スイッチング素子から画素単位を構成した画像表示装置を表す構成図である。本例の画像表示装置では、光源である可視光の発光ダイオード又はレーザダイオードから、３原色の各単波長からなる３種類の入射光を、各光スイッチング素子へ照射する。画素単位32は、前記各単波長光に対して透過光の透過又は非透過が最適に切り替えられるように設計した３種類のＲ用、Ｇ用及びＢ用光スイッチング素子(図11中、Ｒ、Ｇ及びＢと表示)、計３個から構成している。各画素単位を構成する各光スイッチング素子は、複数個であってもよい。この画素単位32は、ガラス基板30に２次元配列されているから各画素単位32を構成する各光スイッチング素子を個別に制御することにより、表示面38(各光スイッチング素子の透過光を投光する面)に画像を表示できる。
【００６３】
図12は３原色及び白色に対応して４個の同じ光スイッチング素子から画素単位を構成した画像表示装置を表す構成図である。この画像表示装置では、GaN半導体等からなる紫外光の発光ダイオード又はレーザダイオードを光源とする単波長の紫外光を入射光とする。画素単位における３原色及び白色は、各光スイッチング素子からの透過光を受けて発光する赤色用、緑色用、青色用又は白色用の蛍光面(図12中、Ｒ、Ｇ、Ｂ及びＷと表示)34による。これから、本例の表示面38は、前記蛍光面34から構成される。各画素単位の光スイッチング素子は、各蛍光面34に対してそれぞれ１個ずつ、本例の場合は計４個の光スイッチング素子で画素単位を構成する。本例では、発色のよい奇麗なカラー画像を実現するため、光の３原色に対応した赤色用、緑色用及び青色用の蛍光面34に白色用の蛍光面34を組み合わせているが、単なるカラー画像でよい場合は、赤色用、緑色用及び青色用の蛍光面34だけでよい。各画素単位を構成する各光スイッチング素子は、各蛍光面毎に複数あってもよい。これにより、各画素単位の光スイッチング素子は、それぞれ同じ紫外光を受けながら、各蛍光面34に対応した光スイッチング素子を個別に透過又は非透過を切り替えることで、画素単位での３原色の発光を実現する。
【００６４】
図13は発光ダイオードからなる光源37を画像の走査に合わせて順次点灯及び消灯を切り替える画像表示装置の構成図である。本発明による画像表示装置は、上述の例(図10a、図11及び図12)に見られるように、同一のガラス基板30の上面に光スイッチング素子からなる画素単位35を２次元配列した構成であり、全光スイッチング素子に対して光源37から入射光を照射する。実際の画像表示装置では、光源37から全光スイッチング素子へ均一に入射光を直接照射することは難しいので、通常、図13に見られるように、プリズム等からなる入射光照射部36を介して光源37から全光スイッチング素子へと入射光が導かれる。本例では、動画を表示する画像表示装置の本質として画面走査されることを利用し、走査信号に同期して光源37も点灯及び消灯を切り替えるようにしている。これにより、画面走査に合わせて透過又は非透過が切り替えられている光スイッチング素子に対応する光源37のみが点灯すればよくなり、光源37全体として消灯しているものが多くなるため、結果として省電力化を図ることができる。
【００６５】
画素単位としての光強度の強弱は、光源から照射される入射光の光強度を調整するのではなく、各画素単位を構成する光スイッチング素子個々のON状態の時間を増減することで、容易に実現できる。例えば、図10bに見られるように、画素単位の単位点灯時間を等分割したパルス幅の電気信号の印加回数を、前記単位印加時間の総和が単位点灯時間を超えない範囲で増減することにより、画素単位の光強度は前記電気信号を単位点灯時間で積分した強さで制御することができる。また、図10cに見られるように、画素単位の単位点灯時間以下の連続印加時間で印加する電気信号の前記連続印加時間を、前記単位点灯時間を超えない範囲で増減することにより、画素単位の光強度は前記電気信号を単位点灯時間で積分した強さで制御することができる。いずれも、電気信号の印加回数又は連続印加時間は容易に制御できるため、精密な画素単位の光強度を制御できるようになる。
【００６６】
具体的には次のようになる。例えば、カラー画像を30フレーム/秒で走査する場合、約30ｍｓ/フレームの画像変換を必要とする。そして、画素単位が1000×1000で２次元配列されているとすれば、走査毎の読み出し時間は33ｍｓ/1000＝33μｓとなる。ここで、図10bに示す例によれば、各画素の階調性を1000段階に設定すれば、電気信号は単位点灯時間中に1000回の印加回数を有すればよい。そして、各電気信号のパルス幅及びパルス間隔が等しければ、1つの電気信号のパルス幅は33μｓ/2000＝16nsecとなる。この電気信号におけるパルス幅を精度よく保つには、立ち上がり時間及び立ち下り時間をパルス幅の１/10程度とすれば、約２nsec以下のスイッチング動作を有する光スイッチング素子を用いればよいことになる。また、図10cに示す例では、同じく階調性を1000段階とすれば、33μｓ/1000＝33nsec以下のピッチで連続印加時間を増減させることになる。この場合、各電気信号は間隔を空けずに印加することから、パルスの立ち上がり時間及び立下り時間は33nsecの１/10以下として、3.3nsec以下のスイッチング動作が可能な光スイッチング素子を用いればよいことになる。
【００６７】
こうした画素単位の点灯を制御する場合、画素単位を構成する各光スイッチング素子には、非常に高速なスイッチング動作、すなわち数nsec以下のスイッチング動作が要求されることが分かる。この点、本発明の光スイッチング素子は、極めて高速なスイッチング動作を実現しており、上記具体的な要求にも十分応えることができる。更に、高精細な画像を表示するため、画素単位の単位点灯時間が短くなり、また諧調度を高めた場合に要求されるスイッチング動作はより高速になるが、本発明の光スイッチング素子はそうした要求にも応えることができる。このように、本発明は高速なスイッチング動作を有する光スイッチング素子を実現することにより、これを用いた画像表示装置の高精細さを可能にするわけである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１ａ】透過光が最小光強度である本発明に基づく透過型の光スイッチング素子の断面図である。
【図１ｂ】透過光が最大光強度である本発明に基づく透過型の光スイッチング素子の断面図である。
【図２ａ】透過光が最小光強度である本発明に基づく透過型の光スイッチング素子の別例の断面図である。
【図２ｂ】透過光が最大光強度である本発明に基づく透過型の光スイッチング素子の別例の断面図である。
【図３ａ】静電気力が発生していない状態の透過型の光スイッチング素子の別例を示す断面図である。
【図３ｂ】第２光学面を上方ストッパ透過面に接面させた状態の透過型の光スイッチング素子の別例を示す断面図である。
【図３ｃ】第２光学面を下方ストッパ透過面に接面させた状態の透過型の光スイッチング素子の別例を示す断面図である。
【図４ａ】静電気力が発生していない状態の透過型の光スイッチング素子の別例を示す断面図である。
【図４ｂ】第１光学面及び第２光学面を離隔させた状態の透過型の光スイッチング素子の別例を示す断面図である。
【図４ｃ】第１光学面及び第２光学面を接面させた状態の透過型の光スイッチング素子の別例を示す断面図である。
【図５ａ】透過窓を開口した遮光面を上方ストッパ透過面の上面に添設した透過型の光スイッチング素子の断面図である。
【図５ｂ】同光スイッチング素子のON状態における透過光の光強度プロファイルである。
【図６】波長λで規格化した両光学面の実効的な間隔ｈと(IT/ITmax)との関係を反射係数Ｒをパラメータに表した図である。
【図７ａ】反射光が最大光強度である従来の反射型の光スイッチング素子の断面図である。
【図７ｂ】反射光が最小光強度である従来の反射型の光スイッチング素子の断面図である。
【図８ａ】透過光が最小光強度である従来の透過型の光スイッチング素子の別例の断面図である。
【図８ｂ】透過光が最大光強度である従来の透過型の光スイッチング素子の別例の断面図である。
【図９】光スイッチング素子のスイッチング動作の説明図である。
【図１０ａ】Ｒ、Ｇ及びＢ用光スイッチング素子を同一のガラス基板上に２次元配列して構成した画像表示装置の構成図である。
【図１０ｂ】各光スイッチング素子に印加する電気信号の制御方式を表す説明図である。
【図１０ｃ】各光スイッチング素子に印加する電気信号の制御方式を表す説明図である。
【図１１】３原色に対応した３種類のＲ、Ｇ及びＢ用光スイッチング素子から画素単位を構成した画像表示装置を表す構成図である。
【図１２】３原色及び白色に対応して４個の同じ光スイッチング素子から画素単位を構成した画像表示装置を表す構成図である。
【図１３】発光ダイオードからなる光源を画像の走査に合わせて順次点灯及び消灯を切り替える画像表示装置の構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  基板
２  第１光学面
３  下方ストッパ透過面
４  第１スペーサ面
５  可動面
６  第２光学面
７  間隙
８  第２スペーサ面
９  上方ストッパ透過面
10  間隙
17  遮光面
18  透過窓
31  透過型の光スイッチング素子
32  画素単位
33  紫外光用透過型の光スイッチング素子
34  蛍光面
35  画素単位
36  入射光照射部
37  光源
38  表示面
【図１ａ】
2005157133.tif 000003
【図１ｂ】
2005157133.tif 000004
【図２ａ】
2005157133.tif 000005
【図２ｂ】
2005157133.tif 000006
【図３ａ】
2005157133.tif 000007
【図３ｂ】
2005157133.tif 000008
【図３ｃ】
2005157133.tif 000009
【図４ａ】
2005157133.tif 000010
【図４ｂ】
2005157133.tif 000011
【図４ｃ】
2005157133.tif 000012
【図５ａ】
2005157133.tif 000013
【図５ｂ】
2005157133.tif 000014
【図６】
2005157133.tif 000015
【図７ａ】
2005157133.tif 000016
【図７ｂ】
2005157133.tif 000017
【図８ａ】
2005157133.tif 000018
【図８ｂ】
2005157133.tif 000019
【図９】
2005157133.tif 000020
【図１０ａ】
2005157133.tif 000021
【図１０ｂ】
2005157133.tif 000022
【図１０ｃ】
2005157133.tif 000023
【図１１】
2005157133.tif 000024
【図１２】
2005157133.tif 000025
【図１３】
2005157133.tif 000026